分子植物卓越中心在水稻廣譜抗病的免疫代謝機制研究中取得進展

12月16日，Nature在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員何祖華研究組題為NLRs guard metabolism to coordinate patternand effector-triggered immunity的研究論文，揭示出一條新的廣譜免疫代謝調控網絡。研究發(fā)現，水稻廣譜抗病NLR受體蛋白通過保護免疫代謝通路免受病原菌攻擊，協同整合植物PTI和ETI，進而賦予水稻廣譜抗病性的新機制。

水稻是世界主糧作物之一。由真菌Magna?porthe oryzae引起的稻瘟病是水稻的嚴重病害。稻瘟病常在我國和世界各稻區(qū)流行，可引起水稻大幅度減產，已成為水稻生產過程中主要的制約因素，也是全球糧食安全的重大隱患。因此，提高水稻的稻瘟病抗性，尤其是廣譜持久抗性，是水稻抗病育種工作的難點問題，也是熱點問題。

合理高效地利用和解析水稻廣譜持久抗病資源，是防控稻瘟病經濟、有效和環(huán)保的方法，也是保障農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要策略。近年來，作物抗病基因鑒定、抗病機理等方面的研究取得了較大進展，但作物廣譜、持久抗病性調控方面較少。尤其是，雖然已發(fā)現植物在抗病的情況下，其防衛(wèi)代謝會明顯加強，但在該過程中，免疫受體-防衛(wèi)代謝-廣譜抗性之間的關系一直是植物病理和農作物育種領域的未解之謎。

針對以上問題，課題組綜合利用植物病理學、蛋白組學、遺傳學、分子和生化等實驗技術平臺，鑒定到新的免疫調控蛋白PICI1，隨后發(fā)現PI?CI1作為植物中一類新的去泛素化蛋白酶發(fā)揮功能。進一步地，研究人員通過遺傳、生化、生理、病理等實驗鑒定到PICI1的直接下游底物—蛋氨酸合酶OsMETS，并發(fā)現PICI1可以通過降低Os?METS的泛素化水平增強其蛋白穩(wěn)定性，促進蛋氨酸-乙烯代謝通路，進而激活水稻的免疫反應。至此，研究揭示出一條全新的免疫代謝調控通路（PICI1-OsMETS-ethylene），并且該通路既參與水稻的基礎抗病性（PTI）又調控NLR介導的專化型抗病性（ETI）。研究還發(fā)現，病原菌可以通過分泌一些毒性蛋白直接降解PICI1，抑制水稻的基礎抗病性（PTI）。然而，植物與病原菌長期處于類似于“軍備競賽”的協同進化中，水稻產生的廣譜抗病NLR類受體PigmR等通過競爭性抑制病原菌毒性蛋白與PICI1的互作，保護并加強PICI1-OsMETS-乙烯代謝通路，從而激發(fā)更強烈的ETI抗性。這是一個新的植物與病原菌“軍備競賽”的互作研究范例，首次回答了植物在與病原菌協同進化過程中，如何通過增強防衛(wèi)代謝以獲得廣譜抗病性的科學問題，并從基礎代謝的角度揭示了水稻NLR受體介導的專化性抗病性依賴于基礎抗病性的保守機制，為水稻及農作物的抗病育種設計奠定了理論基礎。

進一步通過對3000份水稻品種的基因組數據分析，研究發(fā)現PICI1啟動子具有秈粳分化的自然變異位點，并且該位點與稻瘟病的基礎抗性相關聯，進而為水稻抗病育種提供新的思路和靶點?！癗LR-PICI1-蛋氨酸-乙烯”化學防衛(wèi)代謝調控網絡的發(fā)現，為提高水稻的廣譜持久抗瘟性提供了新的理論基礎和技術支撐，對降低農藥的施用，實現綠色農業(yè)生產具有潛在理論和實踐意義。

研究工作得到國家自然科學基金委員會基礎科學中心和重點項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家重點研發(fā)計劃等的資助。